Soutenance mémoire
De nos jours, les systèmes communicants sans fil font partie intégrante de notre vie quotidienne en raison de leurs larges gammes d’applications dans différents domaines (domaine médical, la surveillance, le domaine militaire, etc…).
Malgré les énormes progrès que l’électronique a connu, ces systèmes présentent toujours des verrous technologiques. En effet, ces progrès se sont focalisés sur les problèmes d’intégration et la miniaturisation en mettant à l’écart la voie de l’autonomie énergétique. Une des priorités cruciales que les constructeurs devront développer est de mettre en œuvre des techniques de plus en plus évoluées afin de limiter l’utilisation des batteries ou des piles. Ces sources d’énergie ont souvent une durée de vie limitée ou de recharge élevée. Elles risquent également d’être dans des emplacements difficilement accessibles voire totalement inaccessibles. Ce qui peut représenter un coût de remplacement conséquent. Pour satisfaire ce besoin, différentes sources d’énergies ambiantes (solaire, vibratoire, électromagnétique, thermique, etc.…) ont été exploitées pour contribuer à l’alimentation des objets communicants voir même d’alimenter certains dispositifs à faible consommation sans recours à une batterie ou à une pile.
Source d’énergies disponibles dans l’environnement
Thermoélectricité
La thermoélectricité permet la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique qui s’établit lors d’une différence de température entre deux points. Cela se traduit par un transfert de chaleur permettant ainsi la récupération d’énergie.
Malgré les contraintes de coût et de volume importantes, les nouvelles technologies de miniaturisation ont permis le développement des générateurs thermoélectriques. Par exemple la société PERPETUA, spécialisée dans le développement de solutions de sources d’énergie pour l’alimentation des capteurs sans fil, a développé un générateur conçu à partir d’un film thermoélectrique flexible. Ce produit assure un rendement de conversion élevé avec une tension de sortie réglable (1.8 V, 2.5 V, 3 V, 3.3 V) capable d’alimenter un capteur sans fil, et qui répond aux critères de taille et de prix [2].
Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est une réserve d’énergie inépuisable et bien répartie partout dans le monde la quantité d’énergie qui illumine la terre est trois mille fois supérieure aux besoins énergétiques quotidiens de la planète [3]. En effet, l’énergie reçue est d’environ 100 W/m². Cependant, pour un temps nuageux elle est autour de 10 W/m² [4]. À l’aide de cellules photovoltaïques, l’énergie solaire peut être captée et convertie en énergie électrique utile. Cependant, l’apport énergétique dépend essentiellement des conditions météorologiques (ciel nuageux, …), du milieu (intérieur ou extérieur) ainsi que le type d’éclairement (éclairage solaire direct ou lumière artificielle). En effet, selon les matériaux utilisés dans la fabrication des panneaux photovoltaïque, le rendement de conversion peut varier entre 5 et 20 % .
Piézoélectricité
En appliquant une contrainte mécanique sur certains matériaux aux caractéristiques piézoélectriques, ils se polarisent, produisant ainsi une énergie électrique utile de l’ordre du µW voire même des centaines de mW et capable d’alimenter certains dispositifs électroniques.
La piézoélectricité couvre une large gamme d’applications, par exemple en 2011, la société française ARVENI a développé en partenariat avec PHILIPS une télécommande piézoélectrique sans pile [6].
Vibrations mécaniques
Les vibrations mécaniques sont considérées comme étant l’une des sources d’énergie les plus prometteuses en raison de leurs disponibilités dans notre environnement (les milieux industriels, les avions, les autoroutes, …). Par exemple la fréquence des vibrations mécaniques de certaines structures aérospatiales peut varier entre 300 Hz et 1 KHz pour des accélérations supérieures à 1g. Cependant, pour des vibrations récupérées à domicile la fréquence est inférieure à 150 Hz pour des accélérations autour de 0.1g. En effet, la puissance fournie par cette source d’énergie dépend essentiellement de la fréquence et de l’amplitude. Elle permet d’alimenter certains dispositifs n’ayant pas recours à des batteries ou des piles [7].
Ondes électromagnétiques
Les systèmes de récupération et de conversion d’énergie électromagnétique appelés rectennas [8], ont connu un essor considérable grâce à la disponibilité des signaux RF ambiants dans les milieux urbains. Cependant, la densité surfacique de puissance DSP captée par certaines rectennas reste limitée à cause des pertes dans l’espace libre. Pour ce faire, elles doivent être proches des sources d’émissions (ambiantes ou contrôlées) ce qui n’est pas toujours le cas, ou encore augmenter les surfaces des antennes de captation. Une autre alternative consiste à utiliser des antennes multi-fréquence afin de capter les puissances associées aux fréquences de fonctionnement avec la même antenne.
Récupération d’énergie à partir des vibrations mécaniques
L’énergie récupérée à partir des vibrations mécaniques demeure l’une des sources d’énergie les plus prometteuses vue sa disponibilité dans notre environnement. Cette puissance sera convertie en puissance électrique utile afin d’alimenter certains systèmes électroniques. Le processus de conversion est assuré par un dispositif de récupération et de conversion d’énergie vibratoire composé de trois blocs de base dont chacun réalise une tâche bien spécifique.
La première étape de conversion mécanique-mécanique est assurée par un résonateur mécanique permettant de convertir les vibrations mécaniques récupérées du milieu extérieur (ambiantes ou contrôlées) en un mouvement relatif entre la source des vibrations et la masse.
Ces vibrations sont transmises à un dispositif électromécanique capable de les convertir en énergie électrique, mais cette énergie n’est pas directement exploitable, c’est pour cela qu’un circuit d’extraction est primordial pour convertir l’énergie électrique alternatives en énergie électrique utile. Enfin, un dispositif de stockage de l’énergie récupérée est utilisé pour garantir un fonctionnement durable du dispositif à alimenter même en cas d’absence de la source des vibrations. Chaque récupérateur d’énergie vibratoire comporte forcément une structure mécanique souvent sous forme d’un système masse-ressort. En effet, deux types sont possibles pour ce type de générateur, résonant et non résonnant. Concernant le premier type il est utilisé pour les applications dont l’amplitude de variation est faible par rapport au déplacement possible de la masse et le rendement chute dès qu’on s’éloigne de la fréquence de résonnance puisque la bande passante est étroite [10]. Le second type de générateur non-résonnant est destiné à des applications présentant une grande amplitude de variation par rapport à la variation limite du système mécanique et où les vibrations sont réparties sur une large bande vers les basses fréquences [11].
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Table des matières
Introduction générale
1. Introduction
2. Source d’énergies disponibles dans l’environnement
2.1. Thermoélectricité
2.2. Rayonnement solaire
2.3. Piézoélectricité
2.4. Vibrations mécaniques
2.5. Ondes électromagnétiques
2.6. Comparaison des niveaux de puissance récupérée par différentes sources d’énergie
3. Contexte de l’étude
4. Récupération d’énergie à partir des vibrations mécaniques
4.1. Techniques de transduction
4.1.1. Transduction électromagnétique
4.1.2. Transducteur électrostatique
4.1.3. Transduction piézoélectrique
4.1.4. Caractéristiques des différentes méthodes de transduction
4.1.5. Choix de la méthode de transduction électrostatique
4.2. Transducteur électrostatique
4.2.1. Principe de conversion mécanique-électrique
i.Cycle à charge constante
ii.Cycle à tension constante
4.2.2. Exemples de transducteurs électrostatiques
4.2.3. Problématiques des récupérateurs d’énergie vibratoire à transduction électrostatique
5. Récupération et conversion d’énergie électromagnétique
5.1. Antenne
5.2. Filtre HF
5.3. Filtre DC
5.4. Circuit de conversion RF-DC
5.4.1. Topologie série (mono-diode série)
5.4.2. Topologie parallèle (mono-diode shunt)
5.4.3. Topologie en doubleur de tension
5.4.4. Multiplicateur de tension
5.5. Association des rectennas
5.6. Rectennas multi-bande
6. Conclusion
7. Références bibliographiques
Conclusion générale
